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系統識別號 U0002-2302201315244900
中文論文名稱 液滴蒸發於噴鍍製程之機制研究
英文論文名稱 A Research on the Mechanism of Droplet Evaporation in Sputtering under Atmospheric Pressure
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 陳俊樺
研究生英文姓名 Jyun-Hua Chen
學號 699430285
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-09
論文頁數 86頁
口試委員 指導教授-湯敬民
委員-林澤勝
委員-馮朝剛
中文關鍵字 因次分析  液滴  蒸發  Fluent  DPM 
英文關鍵字 Dimensional analysis  droplet evaporation  Fluent  DPM 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本文主要在探討液滴於高溫流場中蒸發與運動之研究。研究主要分為兩個部份,第一個部份探討流場因次分析及液滴之運動過程。第二部份為液滴運動之數值計算,此計算中包括粒子運動過程中因受熱而蒸發所產生之熱傳、質傳特性研究。經因次分析推導證明,液滴在受熱後,蒸發現象會受到環境溫度、氣流速度、濃度、液滴直徑長度及液滴速度影響。

模擬主要利用Fluent軟體中離散相模組(DPM,Discrete Phase Model)求解液滴噴入不同溫度底板過程之速度變化與溫度分佈。從模擬結果得知,上升氣流與噴嘴噴入之氣流會因交互作用,而影響噴入液滴的速度及溫度。透過解析方法及數值結果可驗證,隨著液滴直徑越大,液滴之蒸發率會與液滴直徑呈正比。但液滴直徑增加,會使直徑縮減率降低。
英文摘要 This paper discussed the evaporation of droplets on a high-temperature plate. The study was divided into two parts. First part concerned the dimensional analysis of the parameters of the flow and droplet. Second part included the numerical simulation of the characteristics of the heat and mass transfer induced by evaporation through heating of the moving droplets. Using dimensional analysis, the evaporation of the droplets were function of the temperature of the environment , the air flow rate from the nozzle, the concentration, the droplet size and the droplet velocity.
The DPM (Discrete Phase Model) module included in Fluent was used for the computation of the velocity and temperature distributions above a heated plate. From the result of simulation, the upflowing heated air stream was impacted by the nozzle flow. This affected the movement and temperature of the droplet. According to both analytical and numerical results, the larger the diameter , the higher evaporation rate would be. However, the larger the diameter, the smaller diameter reduction rate was observed.
論文目次 目錄
第一章 前言 1
第二章 文獻回顧 2
第三章 研究方法 7
3-1 因次分析推導 7
3-1-1 流場之因次分析 7
3-1-2 蒸發過程探討 9
3-1-3 液滴模型之分析 11
3-1-4 能量平衡之觀點研究 13
3-2 軟體介紹 15
3-3 統御方程式 16
3-3-1 數值方法 17
3-4 離散相模組 18
3-4-1 理論基礎 18
3-4-2 離散相模組 19
3-4-3 離散相之液滴置入模組 24
3-4-4 離散相之邊界條件種類 24
3-5 數值計算流程 26
第四章 結果與討論 27
4-1 初始設定 27
4-1-1 邊界條件與參數設定 27
4-1-2 離散相使用之設定 28
4-2 網格之驗證 28
4-3 計算結果 29
4-3-1模擬底板加熱5秒內之溫度變化 29
4-3-2模擬單顆液滴直徑10μm至20μm 30
第五章 總結 73
5-1 計算結果討論 73
5-2 未來展望 74
第六章 參考文獻 75
研討會論文簡要版 80

圖示目錄
圖 2-1 We 數與液滴破散之示意圖 .......................... 33
圖 2-2 液滴與板面之夾角示意圖 ........................... 33
圖3-1 噴霧熱分解法變化 ................................. 34
圖 3-2 阻力係數( )相對於雷諾數之變化 .................. 34
圖 3-3 控制體積表面上示意圖 ............................ 35
圖 3-4 連續相與粒子質量、動量及熱量轉換 ................. 36
圖 3-5 粒子於牆受熱後各反應機制 ......................... 36
圖 3-6 液滴掉落物理能量與溫度配置圖 ..................... 37
圖 3-7 數值過程之流程圖 ................................. 36
圖 4-1 計算域範圍 ....................................... 38
圖 4-2 計算域邊界設定 ................................... 38
圖 4-3 網格間隔比為0.006 之計算域 ....................... 39
圖 4-4 網格間隔比為0.0055 之計算域 ...................... 39
圖 4-5 網格間隔比為0.0045 之計算域 ...................... 40
圖 4-6 底板於723K 加熱0.1 秒之速度流線及溫度場 .......... 40
圖 4-7 底板於723K 加熱0.3 秒之速度流線及溫度場 .......... 40
圖 4-8 底板於723K 加熱0.5 秒之速度流線及溫度場 .......... 41
圖 4-9 底板於723K 加熱0.7 秒之速度流線及溫度場 .......... 41
圖 4-10 底板於723K 加熱0.9 秒之速度流線及溫度場 .......... 41
圖 4-11 底板於723K 加熱1.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 41
圖 4-12 底板於723K 加熱2.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 42
圖 4-13 底板於723K 加熱3.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 42
圖 4-14 底板於723K 加熱4.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 42
圖 4-15 底板於723K 加熱5.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 42
圖 4-16 底板於773K 加熱0.1 秒之速度流線及溫度場 .......... 43
圖 4-17 底板於773K 加熱0.3 秒之速度流線及溫度場 .......... 43
圖 4-18 底板於773K 加熱0.5 秒之速度流線及溫度場 .......... 43
圖 4-19 底板於773K 加熱0.7 秒之速度流線及溫度場 .......... 43
圖 4-20 底板於773K 加熱0.9 秒之速度流線及溫度場 .......... 44
圖 4-21 底板於773K 加熱1.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 44
圖 4-22 底板於773K 加熱2.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 44
圖 4-23 底板於773K 加熱3.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 44
圖 4-24 底板於773K 加熱4.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 45
圖 4-25 底板於773K 加熱5.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 45
圖 4-26 底板於823K 加熱0.1 秒之速度流線及溫度場 .......... 45
圖 4-27 底板於823K 加熱0.3 秒之速度流線及溫度場 .......... 45
圖 4-28 底板於823K 加熱0.5 秒之速度流線及溫度場 .......... 46
圖 4-29 底板於823K 加熱0.7 秒之速度流線及溫度場 .......... 46
圖 4-30 底板於823K 加熱0.9 秒之速度流線及溫度場 .......... 46
圖 4-31 底板於823K 加熱1.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 46
圖 4-32 底板於823K 加熱2.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 47
圖 4-33 底板於823K 加熱3.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 47
圖 4-34 底板於823K 加熱4.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 47
圖 4-35 底板於823K 加熱5.0 秒之速度流線及溫度場 .......... 47
圖 4-36 底板於723K 加熱0.1 秒之速度流線及速度場 .......... 48
圖 4-37 底板於723K 加熱0.3 秒之速度流線及速度場 .......... 48
圖 4-38 底板於723K 加熱0.5 秒之速度流線及速度場 .......... 48
圖 4-39 底板於723K 加熱0.7 秒之速度流線及速度場 .......... 48
圖 4-40 底板於723K 加熱0.9 秒之速度流線及速度場 .......... 49
圖 4-41 底板於723K 加熱1.0 秒之速度流線及速度場 .......... 49圖 4-42 底板於723K 加熱2.0 秒之速度流線及速度場 .......... 49
圖 4-43 底板於723K 加熱3.0 秒之速度流線及速度場 .......... 49
圖 4-44 底板於723K 加熱4.0 秒之速度流線及速度場 .......... 50
圖 4-45 底板於723K 加熱5.0 秒之速度流線及速度場 .......... 50
圖 4-46 底板於773K 加熱0.1 秒之速度流線及速度場 .......... 50
圖 4-47 底板於773K 加熱0.3 秒之速度流線及速度場 .......... 50
圖 4-48 底板於773K 加熱0.5 秒之速度流線及速度場 .......... 51
圖 4-49 底板於773K 加熱0.7 秒之速度流線及速度場 .......... 51
圖 4-50 底板於773K 加熱0.9 秒之速度流線及速度場 .......... 51
圖 4-51 底板於773K 加熱1.0 秒之速度流線及速度場 .......... 51
圖 4-52 底板於773K 加熱2.0 秒之速度流線及速度場 .......... 52
圖 4-53 底板於773K 加熱3.0 秒之速度流線及速度場 .......... 52
圖 4-54 底板於773K 加熱4.0 秒之速度流線及速度場 .......... 52
圖 4-55 底板於773K 加熱5.0 秒之速度流線及速度場 .......... 52
圖 4-56 底板於823K 加熱0.1 秒之速度流線及速度場 .......... 53
圖 4-57 底板於823K 加熱0.3 秒之速度流線及速度場 .......... 53
圖 4-58 底板於823K 加熱0.5 秒之速度流線及速度場 .......... 53
圖 4-59 底板於823K 加熱0.7 秒之速度流線及速度場 .......... 53
圖 4-60 底板於823K 加熱0.9 秒之速度流線及速度場 .......... 54
圖 4-61 底板於823K 加熱1.0 秒之速度流線及速度場 .......... 54
圖 4-62 底板於823K 加熱2.0 秒之速度流線及速度場 .......... 54
圖 4-63 底板於823K 加熱3.0 秒之速度流線及速度場 .......... 54
圖 4-64 底板於823K 加熱4.0 秒之速度流線及速度場 .......... 55
圖 4-65 底板於823K 加熱5.0 秒之速度流線及速度場 .......... 55
圖 4-66 底板於723K 入風後0.005 秒之速度流線及溫度場 ...... 55
圖 4-67 底板於723K 入風後0.010 秒之速度流線及溫度場 ...... 55
圖 4-68 底板於723K 入風後0.015 秒之速度流線及溫度場 ...... 56
圖 4-69 底板於723K 入風後0.020 秒之速度流線及溫度場 ...... 56
圖 4-70 底板於723K 入風後0.025 秒之速度流線及溫度場 ...... 56
圖 4-71 底板於773K 入風後0.005 秒之速度流線及溫度場 ...... 57
圖 4-72 底板於773K 入風後0.010 秒之速度流線及溫度場 ...... 57
圖 4-73 底板於773K 入風後0.015 秒之速度流線及溫度場 ...... 57
圖 4-74 底板於773K 入風後0.020 秒之速度流線及溫度場 ...... 57
圖 4-75 底板於773K 入風後0.025 秒之速度流線及溫度場 ...... 58
圖 4-76 底板於823K 入風後0.005 秒之速度流線及溫度場 ...... 58
圖 4-77 底板於823K 入風後0.010 秒之速度流線及溫度場 ...... 58
圖 4-78 底板於823K 入風後0.015 秒之速度流線及溫度場 ...... 59
圖 4-79 底板於823K 入風後0.020 秒之速度流線及溫度場 ...... 59
圖 4-80 底板於823K 入風後0.025 秒之速度流線及溫度場 ...... 59
圖 4-81 底板於723K 入風後0.005 秒之速度流線及速度場 ...... 60
圖 4-82 底板於723K 入風後0.010 秒之速度流線及速度場 ...... 60
圖 4-83 底板於723K 入風後0.015 秒之速度流線及速度場 ...... 60
圖 4-84 底板於723K 入風後0.020 秒之速度流線及速度場 ...... 60
圖 4-85 底板於723K 入風後0.025 秒之速度流線及速度場 ...... 61
圖 4-86 底板於773K 入風後0.005 秒之速度流線及速度場 ...... 61
圖 4-87 底板於773K 入風後0.010 秒之速度流線及速度場 ...... 61
圖 4-88 底板於773K 入風後0.015 秒之速度流線及速度場 ...... 62
圖 4-89 底板於773K 入風後0.020 秒之速度流線及速度場 ...... 62
圖 4-90 底板於773K 入風後0.025 秒之速度流線及速度場 ...... 62
圖 4-91 底板於823K 入風後0.005 秒之速度流線及速度場 ...... 63
圖 4-92 底板於823K 入風後0.010 秒之速度流線及速度場 ...... 63
ix
圖 4-93 底板於823K 入風後0.015 秒之速度流線及速度場 ...... 63
圖 4-94 底板於823K 入風後0.020 秒之速度流線及速度場 ...... 63
圖 4-95 底板於823K 入風後0.025 秒之速度流線及速度場 ...... 64
圖 4-96 單顆水滴蒸發所需時間與液滴直徑之關係 ............. 64
圖 4-97 單顆水滴蒸發率與液滴直徑之關係................... 65
圖 4-98 單顆水滴直徑縮減率與液滴直徑之關係 ............... 65

表格目錄
表 (一)網格數之底板723K 之底板上方15cm 熱點比較 ......... 66
表 (二)網格數之底板773K 之底板上方15cm 熱點比較 ......... 66
表 (三)網格數之底板823K 之底板上方15cm 熱點比較 ......... 66
表 (四) 平板溫度723K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................. 67
表 (四續) 平板溫度723K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................ 68
表 (五) 平板溫度773K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................. 69
表 (五續) 平板溫度773K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................ 70
表 (六) 平板溫度823K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................. 71
表 (六續) 平板溫度823K 時,液滴完全蒸發前,沿軌跡之溫度、
速度與周圍氣流之溫度、速度關係 ................ 72
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